《核力与结合能》课件3.ppt

第十九章 原 子 核 第5节 核力与结合能,栏目链接,核力和介子 原子核一般都很稳定，说明它们之间存在很强的引力，但质子位于原子核外时，它们却互相排斥，没有任何相互吸引的迹象．中子是不带电的，而质子都带有正电荷，在小小的原子核内，这些都带正电荷的质子应该相互排斥，这样原子核早就该分崩离析了．可实际上这种情况并没有发生．那么，中子和质子之间究竟是依靠什么强有力地结合在一起的呢？,栏目链接,物理学家们把这种只有在原子核内才能觉察到的极强的结合力称为“核力”．核力是一种交换力，两核之间可以通过交换位置、交换自旋方向或同时交换位置和自旋方向而发生相互作用．这种交换性可用介子场理论来说明． 汤川秀树于1935年提出了一种解释“核力”的新理论．汤川认为，自然界中应该有一种尚未被发现的新粒子．质子和中子之间不断地来回抛掷、互相交换这种粒子，只要质子和中子距离近得能抛掷和,,栏目链接,接住这些粒子，它们就能牢牢地维系在一起．一旦中子和质子相距较远，使那些粒子无法抵达对方时，核力就失效了．汤川还进一步提出，这种新粒子质量介于电子和质子之间，大约是电子质量的200倍，因此取名“介子”． 1947年，鲍威尔发明了核乳胶，并于1947年用这种核乳胶记录下了汤川介子衰变为μ介子的反应过程.1949年汤川因为创立了介子理论而获得诺贝尔物理学奖，而鲍威尔在汤川之后的1950年获诺贝尔物理学奖．,栏目链接,栏目链接,1．四种基本相互作用． (1)自然界物体之间的相互作用除了以前学习的引力相互作用和电磁力相互作用，还存在______________和____________． (2)核力：原子核里的核子间有着一种核力，是核力把核子紧紧地束缚在核内，形成稳定的原子核． (3)核力的特点：①核力是__________的一种表现．②核力是短程力，作用范围在1.5×10－15 m之内，大于0.8×10－15 m时表现为,栏目链接,强相互作用,弱相互作用,强相互作用,________．小于0.8×10－15 m表现为________．③每个核子只跟________的核子发生核力作用，具有饱和性． 2．原子核中质子与中子的比例． 原子核是由质子和中子组成，较轻的原子核，质子数与中子数________，但对于较重的原子核，中子数________质子数，越重的元素，________.这是因为核子数越多时，有些核之间的距离________，核力会迅速减小，使核力不足以克服质子的库仑斥力，使原子核不稳定，可见原子核的粒子数不能无限多的原因是________________决定的．,栏目链接,引力,斥力,相邻,大致相等,大于,相差越大,越大,核力的饱和性,3．结合能． 由核子结合成原子核要放出能量，这就是原子核的____________．原子核的结合能与核子数之比，称作____________，也叫平均结合能．____________越大，表示原子核中核子结合得越____________，原子核越稳定． 4．质量亏损． (1)原子核的质量小于组成它的核子的质量之和，这个现象叫作________________．,栏目链接,结合能,比结合能,比结合能,牢固,质量亏损,(2)质能方程：物体的能量与它的质量有简单比例关系，即E＝________，质量亏损Δm与原子核的结合能的关系为：ΔE＝Δmc2.,栏目链接,mc2,栏目链接,1 核力与四种基本相互作用,栏目链接,1．核力：组成原子核的相邻核子之间存在着一种特殊的力，这种力叫作核力． 2．核力特点． (1)核力是强相互作用(强力)的一种表现，在它的作用范围内，核力比库仑力大得多． (2)核力是短程力，作用范围在1.5×10－15 m之内．,栏目链接,(3)每个核子只跟相邻的核子发生核力作用，这种性质称为核力的饱和性． 3．基本相互作用． 自然界中最基本的四种相互作用是：引力相互作用、电磁相互作用、强相互作用和弱相互作用． 注：引力相互作用和电磁相互作用是长程力，强相互作用和弱相互作用是短程力．,,自然界中较轻的原子核，质子数与中子数大致相等，但对于较重的原子核，中子数大于质子数，原子核越重的两者相差越多． 注：原子核越大，有些核子间的距离越来越远，核力与电磁力都会减小，核力减小得更快．原子核大到一定程度时，相距较远的质子间的核力不足以平衡它们的库仑力，这个原子就不稳定了．这时，不再成对地增加质子,栏目链接,2 原子核中质子和中子的比例,,栏目链接,和中子，而只增加中子，中子与其他核子没有库仑斥力，但有相互吸引的核力，有助于维持原子核的稳定,3 结合能,栏目链接,,栏目链接,,栏目链接,3．比结合能与原子核的稳定性． (1)比结合能的大小能够反映核的稳定程度，比结合能越大，原子核就越难拆开，表示该核就越稳定． (2)核子数较少的轻核与核子数较多的重核，比结合能都比较小，中等核子数的原子核，比结合能较大，表示这些原子核较稳定．,,栏目链接,(3)当比结合能较小的原子核转化成比结合能较大的原子核时，就可释放核能．例如，一个核子数较大的重核分裂成两个核子数小一些的核，或者两个核子数很小的轻核结合成一个核子数大一些的核，都能释放出巨大的核能．,,栏目链接,例1 下列对核力的认识正确的是( ) A．任何物体之间均存在核力 B．核力广泛存在于自然界中的核子之间 C．核力只存在于质子之间 D．核力只发生在相距1.5×10－15 m的核子之间，大于0.8×10－15 m为吸引力，而小于0.8×10－15 m为斥力,,栏目链接,分析：核力与万有引力性质不同．核力只存在于相邻的核子之间．核力是短程力，在相邻核子间存在，从而即可求解． 解析：由核力的特点知道，只有相距1.5×10－15 m的核子之间才存在核力，核力发生在质子与质子、质子与中子之间，由此知D正确，A、B、C错误． 答案：D,,栏目链接,名师点评：本题考查对核力的理解．核力是自然界四种基本作用力之一，与万有引力性质、特点不同．,变 式 迁 移,栏目链接,变 式 迁 移,栏目链接,E．自由核子组成原子核时，其质量亏损所对应的能量小于该原子核的结合能,解析：本题考查原子核物理的结合能及其相关知识点，意在考查考生综合应用知识分析问题的能力．比结合能越大，原子核越稳定，选项D错误．自由核子组成原子核时，其质量亏损所对应的能量等于该原子核的结合能，选项E错误．对于这类选择题，可应用学过的知识分析各个选项，迅速得出答案． 答案：ABC,4 质量亏损,栏目链接,1．质能方程：爱因斯坦的相对论指出，物体的能量和质量之间存在着密切的联系，其关系是 E＝mc2或ΔE＝Δmc2. 这就是著名的爱因斯坦质能联系方程，简称质能方程．方程的含义是：物体具有的能量与它的质量之间存在着简单的正比关系．物体的能量增大质量也增大，能量减小质量也减小．,,栏目链接,2．质量亏损． 由于核力的本质还在研究之中，所以根据核力做功来求核能是不可能的．但物理学家却有办法求出核能．物理学家们研究了质子、中子和氘核之间的质量关系，发现氘核虽然是由一个中子和一个质子组成的，但氘核的质量要比中子和质子的质量之和要小一些．我们把组成原子核的核子的质量与原子核的质量之差叫作核的质量亏损．根据质量亏损可以计算核能．,,栏目链接,,栏目链接,,栏目链接,(3)利用平均结合能来计算核能． 原子核的结合能＝核子的平均结合能×核子数．核反应中反应前系统内所有原子核的总结合能与反应后生成的所有新核的总结合能之差，就是该次核反应所释放(或吸收)的核能．,,栏目链接,(4)根据能量守恒和动量守恒来计算核能． 参与核反应的粒子所组成的系统，在核反应过程中的动量和能量是守恒的，因此，在题给条件中没有涉及质量亏损，或者核反应所释放的核能全部转化为生成的新粒子的动能而无光子辐射的情况下，从动量和能量守恒可以计算出核能的变化．,,栏目链接,注：1.质能方程E＝mc2的理解． (1)质能方程说明，一定的质量总是跟一定的能量相联系的．具体地说，一定质量的物质所具有的总能量是一定的，等于光速的平方与其质量之积，这里所说的总能量，不是单指物体的动能、核能或其他哪一种能量，而是物体所具有的各种能量的总和． (2)根据质能方程，物体的总能量与其质量成正比．物体质量增加，则总能量随之增加；质量减少，总能量也随之减少，这时质能方程也写作ΔE＝Δmc2.,,栏目链接,(3)运用质能方程时应注意单位．一般情况下，公式中各量都应取国际单位．但在微观领域，用国际单位往往比较麻烦，习惯上常用“原子质量单位”和“电子伏特”作为质量和能量的单位．一原子质量单位的质量为1 u,1 u＝1.660 6×10－27 kg，由质能方程知，1 u的质量所对应的能量E＝mc2＝1.660 6×10－27×(3.0×108)2 J＝1.494×10－10 J＝931.5 MeV.,,栏目链接,2．质量亏损的理解． 所谓质量亏损，并不是质量消失，减少的质量在核子结合成核的过程中以能量的形式辐射出去了．反过来，把原子核分裂成核子，总质量要增加，总能量也要增加，增加的能量要由外部供给．总之，物体的能量和质量之间存在着密切的联系，它们之间的关系就是E＝mc2.,,栏目链接,例2 为纪念爱因斯坦对物理学做出的巨大贡献，联合国将2005年定为“国际物理年”．对于爱因斯坦提出的质能方程E＝mc2，下列说法中不正确的是( ) A．E＝mc2表明物体具有的能量与其质量成正比 B．根据ΔE＝Δmc2可以计算核反应中释放的核能 C．一个中子和一个质子结合成氘核时，释放出核能，表明此过程中出现了质量亏损 D．E＝mc2中的E是发生核反应释放的核能,,栏目链接,解析：E＝mc2中的E表示物体具有的总能量，m表示物体的质量，故A说法正确；对于ΔE＝Δmc2表示的意义是当物体的能量增加或减少ΔE时，它的质量也会相应地增加或减少Δm，故B说法正确；只有在出现质量亏损时，才能释放核能，故C说法正确，所以选D. 答案：D,,栏目链接,名师点评：本题是北京高考题，很多同学没看清题目“不正确”，就下笔做题结果出错，所以要注意审题．还有很多同学对质能方程E＝mc2不理解，错选B或C.要注意质能方程反映的是能量与质量的对应关系，但不能理解为能量转化为质量，也不能认为质量转化为能量．,变 式 迁 移,栏目链接,变 式 迁 移,栏目链接,解析：因B、C核子平均质量小于A的核子平均质量，故A分解为B、C时，会出现质量亏损，故放出核能，故A错，同理可得B、D错，C正确． 答案：C,。